Po viac než 100 rokoch vedci odhalili skryté pravidlo kozmického žiarenia. Častice z hlbokého vesmíru sa nesprávajú náhodne
Častice z hlbokého vesmíru nesú zvláštny spoločný podpis. Merania teleskopu DAMPE ukazujú pravidlo, ktoré môže priblížiť pôvod kozmického žiarenia.
Každú sekundu cez Zem prelietajú častice, ktoré v sebe nesú stopu najprudších udalostí vo vesmíre. Niektoré mohli vzniknúť pri výbuchoch supernov, iné v okolí čiernych dier alebo pulzarov. Problém je, že kým dorazia k nám, ich pôvod sa stratí v spleti galaktických magnetických polí.
Práve preto je nový výsledok teleskopu DAMPE taký zaujímavý. Vedci z Université de Genève nezachytili zdroj kozmického žiarenia priamo, no našli spoločný vzorec v tom, ako sa tieto častice správajú pri extrémnych energiách. Protóny, hélium, uhlík, kyslík aj železo vykazujú podobné zmäknutie spektra pri rigidite okolo 15 teravoltov.
Kozmické žiarenie nie sú lúče svetla. Sú to častice, ktoré prileteli z najextrémnejších miest vesmíru
Kozmické žiarenie môže znieť, akoby šlo o nejaký druh svetla. V skutočnosti však ide najmä o častice, ktoré letia vesmírom obrovskou rýchlosťou. Najčastejšie sú to protóny, teda jadrá vodíka, no v tomto prúde sa nachádzajú aj ťažšie atómové jadrá, napríklad hélium, uhlík, kyslík či železo.
„Kozmické žiarenie tvoria najmä protóny, ale aj jadrá hélia, uhlíka, kyslíka a železa,“ vysvetľuje Andrii Tykhonov z Univerzity v Ženeve, ktorý sa na štúdii podieľal.
Práve tieto častice patria medzi najenergetickejšie častice, aké vieme vo vesmíre pozorovať. Ich energia ďaleko presahuje to, čo dokážu vytvoriť aj najvýkonnejšie urýchľovače častíc na Zemi. Vedci ich preto rozdeľujú podľa energie na nízkoenergetické, stredne energetické a vysokoenergetické. Pri tých najvyšších hodnotách sa už bavíme o tisícoch miliárd elektrónvoltov.
Najväčšia záhada však nie je len ich energia, ale pôvod. Vedci predpokladajú, že časť kozmického žiarenia vzniká pri najprudších udalostiach vo vesmíre, napríklad pri výbuchoch supernov, v okolí pulzarov alebo vo výtryskoch čiernych dier. Lenže kým tieto častice dorazia k Zemi, ich dráhu opakovane ohnú galaktické magnetické polia. Je to trochu ako sledovať auto podľa stôp v snehu po tom, čo cez cestu prešla ďalšia premávka. Niečo z pôvodnej informácie zostane, ale dostať sa k nej je mimoriadne ťažké.
Neprehliadni
DAMPE sledoval kozmické častice deväť rokov. Zlom sa objavil pri protónoch aj železe
Vesmírny teleskop DAMPE nepozeral na oblohu tak, ako klasický ďalekohľad. Nehľadal galaxie ani hviezdy, ale zachytával jednotlivé častice, ktoré do jeho detektorov prileteli z vesmíru. Od decembra 2015 tak postupne nazbieral deväť rokov meraní, ktoré vedcom umožnili pozrieť sa na kozmické žiarenie s presnosťou, aká bola pri takýchto vysokých energiách ešte donedávna veľmi ťažko dosiahnuteľná.
Práve v týchto dátach sa objavil zvláštny vzorec. Protóny, hélium, uhlík, kyslík aj železo sa pri nízkych a stredných energiách nesprávajú úplne rovnako, no pri extrémne vysokých hodnotách ukázali spoločný znak. Od určitej hranice ich začína ubúdať rýchlejšie, než naznačoval dovtedajší priebeh spektra.
Vedci tento jav označujú ako zmäknutie spektra. Znie to technicky, ale pointa je jednoduchá. Čím vyššiu energiu častice majú, tým menej ich zvyčajne zachytíš. V tomto prípade sa však pokles po určitej hranici ešte viac zlomí. Najdôležitejšie je, že sa to pri rôznych typoch jadier deje pri podobnej rigidite, približne okolo 15 teravoltov.
Rozhodovala nie hmotnosť častíc, ale to, ako sa ohýbajú v magnetickom poli
Pri tomto objave je dôležité slovo rigidita. Nejde o hmotnosť častice ani o jej energiu samotnú, ale o to, ako veľmi dokáže magnetické pole zmeniť jej dráhu. Predstav si to ako rozdiel medzi ľahkou pingpongovou loptičkou a ťažkou guľou v prúde vody. Jednu prúd odnesie ľahko, druhá si drží smer tvrdohlavejšie. Podobne sa správajú aj nabité častice v galaktických magnetických poliach.
A práve tu prišlo najzaujímavejšie zistenie. Rovnaký zlom sa neobjavil podľa toho, či išlo o ľahší protón alebo oveľa ťažšie jadro železa. Objavil sa pri podobnej rigidite. To výrazne podporuje predstavu, že kozmické žiarenie počas svojho zrýchľovania a putovania galaxiou podlieha pravidlu, ktoré súvisí s jeho pohybom v magnetických poliach.
Tým sa zároveň dostali pod silný tlak iné vysvetlenia. Niektoré modely predpokladali, že rozhodujúca bude energia pripadajúca na jeden nukleón, teda na protón alebo neutrón v jadre. Lenže nové merania túto možnosť výrazne oslabili. Autori štúdie uvádzajú, že scenár, v ktorom by sa zlom riadil hmotnosťou jadier, je vylúčený s istotou vyššou než 99,999 percenta.
Vedci zatiaľ nenašli zdroj kozmického žiarenia. No výrazne zúžili možnosti, kde hľadať odpoveď
Ženevský tím nepracoval len s dátami, ale podieľal sa aj na samotnom „zraku“ teleskopu DAMPE. Viedol vývoj detektora STK, kremíkovo-volfrámového prístroja, ktorý pomáha určiť dráhu prelietajúcej častice a zmerať jej náboj. Bez takéhoto merania by vedci nevedeli spoľahlivo rozlíšiť, či zachytili protón, jadro uhlíka alebo oveľa ťažšie železo.
Práve preto má nový výsledok väčšiu váhu než obyčajná štatistická zaujímavosť. Ukazuje, že rôzne typy kozmických častíc nesú spoločný podpis. A ten podpis musia teraz vysvetliť všetky modely, ktoré hovoria o tom, ako sa kozmické žiarenie zrýchľuje pri extrémnych javoch a ako potom putuje galaxiou.
„Tieto výsledky sú dôležitým krokom k lepšiemu pochopeniu pôvodu kozmického žiarenia a mechanizmov, ktoré riadia jeho šírenie v galaxii,“ uvádza Univerzita v Ženeve.
Vedci zatiaľ nehovoria, že našli konkrétny zdroj kozmického žiarenia. V hre zostáva napríklad blízky zdroj v našom galaktickom okolí, ale aj zmena v tom, ako sa častice šíria cez medzihviezdne prostredie a magnetické polia. Rozdiel je však v tom, že po týchto meraniach už niektoré vysvetlenia jednoducho nevyzerajú rovnako presvedčivo ako predtým.
Kozmické žiarenie tak zostáva záhadou, no už nie úplne bez pravidiel. Častice, ktoré k nám prilietajú z najprudších procesov vo vesmíre, akoby pri určitej hranici prezradili spoločný podpis svojej cesty. Otázka je, či tým ukazujú na miesto, kde vznikli, alebo skôr na neviditeľné galaktické prostredie, ktoré ich počas letu mení.
